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Diseño de un Sistema Contra Incendio para una Empresa Productora
                           de Cereales

                                 Ernesto Martínez Lozano, Ing.
                 Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción
                             Escuela Superior Politécnica del Litoral
   Campus Gustavo Galindo V. Km. 30.5 Vía Perimetral, P. O. Box 09 01 5863, Guayaquil, Ecuador
                                     emartine@espol.edu.ec

                                      Newton Barreto León
                 Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción
                             Escuela Superior Politécnica del Litoral
   Campus Gustavo Galindo V. Km. 30.5 Vía Perimetral, P. O. Box 09 01 5863, Guayaquil, Ecuador
                                     nbarreto@espol.edu.ec


                                           Resumen

  Este trabajo pretende servir de referencia a aquellas personas que deseen tener una
visión del proceso de diseño de un Sistema Contra Incendio. Por la naturaleza de este
trabajo, se hará hincapié en consultar detenidamente más material de apoyo. El
artículo está dividido en un cierto número de pasos que pueden ser comprimidos en
función de la experiencia del diseñador o las necesidades del cliente, basados en las
normas NFPA. Se comenzará con el análisis de la situación actual para determinar las
condiciones de la instalación. Luego se procederá al diseño del sistema, el cual se basa
en las normas NFPA las cuales recogen las recomendaciones mínimas de seguridad y
protección que deben tomarse en cuenta para proteger un área, usando una
combinación de sistemas y equipos: mangueras, extintores y rociadores. Esta parte
contendrá los cálculos correspondientes al diseño. Posteriormente se realizará la
selección de los materiales para poder hacer los planos correspondientes a la
instalación.

Palabras Claves: sistema contra incendio.

                                           Abstract

  This work intends to serve of reference to those people that desire to have a vision of
the process of design of a Fire Protection System. By the nature of this work, emphasis
will be done in consulting thoroughly more material of support. The article is divided
into a certain number of steps that can be compressed in function of the experience of
the designer or the needs of the client, based on the norms NFPA. It will begin with the
analysis of the current situation to determine the conditions of the installation. Then it
will proceed to the design of the system, which is based on the NFPA norms which
collects the minimum recommendations of security and protection that should take into
account to protect an area, using a combination of systems and materials: hoses, fire
extinguishers and sprinklers. This part will contain the calculations pertaining to the
design. Subsequently the selection of the materials will be carried out to be able to do
the drawings pertaining to the installation.
1. Introducción                                    áreas, la pasiva que evita el inicio del fuego o su
                                                   propagación, llegado el caso y la activa que ya
   Los incendios son una de las mayores            es el uso directo de extintores, bocas de
catástrofes naturales y en muchos casos son        incendio y rociadores.
provocados por el hombre. Durante los últimos
años han aumentado su frecuencia, causando            Una prevención activa de incendios depende
daños irreparables tanto en vidas humanas como     en gran medida del diseño y operación de la
en pérdidas materiales y medioambientales.         planta de tal manera que se minimicen los
                                                   riesgos de un accidente.
    Dentro de este campo cabe destacar los
Incendios en plantas industriales, plataformas         El tipo más común de sistemas de protección
petroleras, explosiones químicas, etc., que han    contra incendios es el que se basa en el uso de
producido accidentes industriales mayores, con     agua. Por lo tanto, resulta esencial que se
falta de seguridad humana y de planes de           disponga de un suministro de agua adecuado y
emergencias adecuados lo que ha provocado          bien mantenido. El sistema de suministro de
situaciones de pérdidas irreparables, desde la     agua de la planta, será la primera fuente que
imagen de la empresa hasta desastres               utilice la brigada contra incendios de la planta o
cuantiosos.                                        el departamento de bomberos. El agua debe
                                                   proporcionarse con el flujo y la presión
   Es por esto que la empresa Productora de        necesarios para que se activen los sistemas de
Cereales que es una compañía confiable que         aspersores automáticos y para poder utilizar las
ofrece alimentos de alta calidad, en la            mangueras contra incendios, además de los
producción de cereales, tiene la necesidad de      requisitos normales de la planta.
contar con un sistema contra incendio debido a
normas internacionales de seguridad.                   En las redes de tuberías se recomienda que
                                                   la tubería forme un circuito cerrado en forma de
   Además la protección contra incendio es un      red y minimizar las pérdidas por fricción que
área en la que la mayoría de los ingenieros        sea posible.
mecánicos pueden aportar con una contribución
significativa. En muchas instalaciones, el            Las bombas contra incendios son en esencia,
ingeniero en jefe puede hacer las funciones de     iguales a las bombas normales. Las
comisario o jefe de incendios, e incluso en las    consideraciones adicionales correspondientes a
plantas grandes, existe un ingeniero dedicado a    las bombas contra incendio se presentan en las
tiempo completo a las seguridad o a la             norma NFPA 20. Los factores que deben
protección contra incendios, el cual debe          tomarse en cuenta con relación a este tipo de
conocer el problema de los incendios, los          bombas son:
métodos de prevención y los sistemas de
protección.                                           -Uso del equipo señalado para bombas contra
                                                      incendio
                                                      -Uso de accesorios aprobados
2. Generalidades                                      -Capacidad adecuada para satisfacer la
                                                      demanda de propagación del incendio
                                                      -Operación automática
2.1 Sistemas contra incendio                          -Ubicación segura para que el servicio sea
                                                      ininterrumpido
  Diseñar un Sistema Contra Incendio para la
empresa Productora de Cereales.                        Para efectos de protección contra incendios,
                                                   el sistema de rociadores es un sistema integrado
   Un sistema de protección contra incendio es     de tuberías diseñado de acuerdo con las normas
un sistema que incluye dispositivos, soportería,   de ingeniería para protección contra incendios.
equipos y controles para detectar fuego o humo,    La porción del sistema de rociadores sobre el
para hacer actuar una señal y para suprimir el     nivel del suelo consiste en una red tuberías de
fuego o humo. Los dos objetivos principales de     tamaño especial, diseñada tomando en cuenta
la protección del fuego son salvar vidas y         los factores hidráulicos, que se instala en el
proteger las propiedades.          Un objetivo     edificio, estructura o área, por lo general a nivel
secundario es minimizar las interrupciones de      del cielorraso, a la que se conectan los
servicio debido al fuego.                          aspersores de acuerdo con un patrón
                                                   sistemático. El sistema suele activarse con el
    Actualmente existen varias normativas que      calor proveniente de un incendio y descarga
fijan los requisitos mínimos para la protección    agua sobre el mismo.
de incendios, que se divide en dos grandes
Los sistemas de tuberías húmedas cuentan          3. Diseño del sistema contra incendio
con agua a presión en todo momento. El agua se
descarga de inmediato cuando los rociadores             El desarrollo del diseño implica un análisis
automáticos entran en operación. Este sistema        detallado de la operación propia de la empresa,
suele utilizarse siempre que no exista peligro de    por lo que se evaluará los riesgos de incendio en
que el agua de las tuberías se congele.              cada una de las áreas de esta empresa, que
                                                     conlleve a determinar los principales
   Los rociadores están diseñados con                requerimientos.
especificaciones nominales de temperatura que
varían desde los 57ºC (1357ºF) hasta los 343ºC
(650ºF). En los edificios que se conservan a         3.1    Determinación       de                 los
temperaturas normales y constantes lo más            requerimientos del sistema
común es que se utilicen especificaciones de
74ºC(165ºF). La ubicación y separación de los           El área a ser protegida y todos los
aspersores depende del grado de riesgo y del         requerimientos de agua de protección contra
tipo de construcción.                                incendio deben ser determinados antes de
                                                     comenzar los cálculos.
2.2 Normas NFPA                                         Los requerimientos de agua de protección
                                                     contra incendio son: el agua necesaria para
   La NFPA (National Fire Protection                 lograr la densidad del sistema de rociadores,
Association) es reconocida alrededor del mundo       mangueras y/o hidrantes, y otros requerimientos
como la fuente autorizada principal de               que disponga una norma.
conocimientos técnicos, datos y consejos para el
consumidor sobre la problemática del fuego y la         ROCIADORES
protección y prevención.
                                                        Clasificación de Actividades y Productos
   El diseño de sistemas se basa en las normas       según NFPA
NFPA, que recoge las recomendaciones
mínimas de seguridad y protección que deben             Las normativas sobre protección de
tomarse en cuenta para proteger un área, usando      incendios clasifican el riesgo que presenta cada
una combinación de sistemas y equipos:               tipo de edificio según sus características, para
mangueras, extintores y rociadores.                  adecuar los medios de prevención.

                                                        Tabla 1. Actividades De Riesgo Ordinario
    Durante el desarrollo de la presente tesis se     Fuente: Manual de protección contra incendios
irán mencionando los diferentes capítulos
referentes a las normas NFPA aplicados, de las                                       Grupo 1
cuáles mencionamos las más representativas          Estacionamiento                  Fábricas de vidrio
tales como:                                         Plantas electrónicas             Restaurantes (Áreas Servicio)
                                                    Fabricas de alimentos            Lavanderías
    NFPA 13, Installation of Sprinkler Systems,
                                                                                     Grupo 2
proporciona los detalles de los requisitos de
                                                    Molinos de cereales              Edificios comerciales
diseño e instalación correspondientes a los
                                                    Manufacturas textiles            Industrias farmacéuticas
rociadores automáticos.
                                                    Fábricas de cigarrillos          Fábricas de papel: obtención, proceso
    NFPA 14, Installation of Standpipe and Hose
                                                    Fábricas de productos de cuero   Depósitos de papel: muebles,
Systems, describe el diseño y la instalación para
                                                    Almacenes refrigerados           pinturas, licores,
el sistema de tuberías.
                                                    Fábricas de confecciones         mercancías generales
    NFPA 20, Installation of Centrifugal FIRE
                                                    Carpinterías                     Garajes de mantenimiento
Pumps, presenta las consideraciones adicionales
correspondientes a las bombas contra incendio.      Artes gráficas                   Fábricas de neumáticos
    NFPA 22, Standard for Water Tanks for
Private Fire Protection, determina los depósitos        Parámetros de Evaluación
de agua para la protección privada contra
incendio.                                               Densidad y Área de diseño
    NFPA 24, Installation of Private Fire Service
Mains and their Appurtances, indica los                 La densidad es un parámetro representa el
requisitos de los sistemas de suministro de agua.    caudal descargado por un sistema de extinción
                                                     por unidad de área. Usualmente, su valor fluctúa
                                                     entre 0.1 gpm/ft2 (4.1 l/min/m2) y 0.60 gpm/ft2
                                                     (24.6 l/min/m2) [1].
actuando otro gabinete en el extremo opuesto a
                                                   éste, ya que el caudal mínimo para cada
                                                   gabinete es de 250 gpm a 100 psi.

                                                      SUMINISTRO DE AGUA

                                                       Habiendo determinado por la densidad y el
                                                   área de diseño el caudal requerido para el
                                                   sistema de rociadores, se añade una tolerancia
     Figura 1. Demanda para rociadores
    Fuente: Norma NFPA 13 Fig. 11.2.3.1.5          de 10% a la cantidad de galones para uso de los
                                                   rociadores solamente. Esta tolerancia es para
                                                   considerar el aumento natural de la cantidad de
   Según el tipo de riesgo escogemos el valor      galones por encima del requerimiento básico en
de la tabla y el valor que se obtenga se           el curso del cálculo del sistema.
multiplicará por el área y se obtendrá el valor
del caudal.                                                Tabla 2. Bombas Normalizadas
                                                   Fuente: Manual de Protección Contra Incendios
   MANGUERAS                                                         Tabla 5-7a

   Dentro de los diferentes tipos de gabinetes                    Caudal Nominal
tenemos:                                                           gpm    L/min
   Los sistemas de clase I, que tienen                             500     1893
conexiones para mangueras de 2½“ (64 mm) en                        750     2839
determinados lugares de un edificio con el fin                     1000    3785
de facilitar una total intervención contra                         1250    4732
incendios. Estos sistemas están proyectados
                                                                   1500    5678
para ser utilizados por los bomberos.
   Los sistemas de clase II, tienen conexiones                     1750    6624
de 1½“ (38 mm) en determinados lugares del                         2000    7571
edificio, para proporcionar una primera ayuda
en caso de incendio.                                        Tabla 3. Resistencia al Fuego
   Los sistemas de clase III, reúnen las                      Fuente: Norma NFPA 13
características de los de clase I y II. Están
                                                                            Clases          Clase
proyectados tanto como primera ayuda en caso
de incendio como para luchar contre el fuego.      Almacenamiento          I, II y III        IV
                                                    De 3.7 a 6.1 m       1 1/2 horas        2 horas
                                                    De 6.1 a 9.1 m         2 horas       2 1/2 horas

                                                      Para determinar el volumen del tanque de
                                                   almacenamiento cogemos el valor de la tabla 3
                                                   según el caso y lo multiplicamos por el caudal
                                                   obtenido.

                                                   3.2 Cálculos hidráulicos
                                                      Para esto se debe realizar un bosquejo de
                                                   cómo va a ser nuestro diseño dentro de la planta
                                                   aunque todavía no se den dimensiones exactas
                                                   así como se ve en la figura 3. Y además se
                                                   colocará el alcance de los gabinetes para tener
                                                   una distribución completa por toda la planta.

     Figura 2. Detalle De Gabinete Tipo III

   Los sistemas de clase III se limitan
generalmente a 100 pies de longitud (30.2 m).
La demanda para un sistema combinado de
clase III es de 500 gpm mínimo para interiores y
exteriores, (Norma NFPA 14); debido a que el
cálculo se realiza con el gabinete más lejano y
Tabla 4. Longitudes Equivalentes
                                                         Fuente: Norma NFPA 14, Tabla 7.11.1.1




                                                        Luego de haber obtenido un esquema de
                                                     nuestro diseño y el requerimiento de agua para
                                                     nuestro sistema vamos a la tabla 5 y
                                                     seleccionamos el diámetro de la tubería.

                                                       Tabla 5. Flujo requerido para velocidad no
                                                               menor a 3m/s en la tubería
                                                       Fuente: NFPA Norma 24 Tabla 10.10.2.1.3
                                                       TUBERÍA        FLUJO            FLUJO
         Figura 3. Esquema de Diseño                  Pulgadas         GPM             l/min
                                                          4            390              1476
   Del plano de las tuberías determinamos la
longitud de la tubería más remota. Para luego              6            880             331
determinar las longitudes equivalentes de los              8           1560             5905
accesorios y sumamos estos resultados para
obtener longitud de tubería total y poder                 10           2440             9285
determinar las pérdidas por fricción en la                12           3520            13323
tubería.
   Los cálculos finales comienzan en el                 Para determinar las pérdidas por fricción se
rociador más remoto para determinar el caudal y      usará la fórmula de Hazen-Williams:
los tamaños de tuberías reales del sistema.
   Estos cálculos deberían satisfacerse por la                4.52Q1.85
presión del suministro de agua.
                                                          ΔP = 1.85 4.87
   Pérdidas en la tubería                                     C d                              (1)
                                                       Donde:
   Los cálculos se los van a realizar en base a        AP = Pérdidas por fricción en psi/ft
las normas NFPA, los cuales indican los valores        Q = Flujo, en gpm
a los cuales se deben regular las condiciones de       d = Diámetro interno real de la tubería, en
trabajo.                                               pulgadas
                                                       C = Coeficiente de fricción
   Longitud equivalente
                                                        Para pérdidas por fricción en tuberías de
    Para la mayoría de cálculos de protección del    acero Schedule 40, el coeficiente de Hazen-
fuego, las pérdidas de fricción son obtenidas        William es 120.
usando el método de longitud equivalente                O también se lo puede realizar por medio de
usando la tabla 4, la cual expresa las pérdidas de   una gráfica, la cual nos da el valor de las
fricción de las uniones. Esta longitud es            pérdidas, ver la figura 4.
adicionada a la longitud de la tubería que están
conectadas para obtener el total de de perdidas
de fricción.
Pe = 0.433h                       (3)
                                                      Pe = Pérdidas por elevación en psi/ft
                                                      h = Altura en pies


                                                     Requerimiento de presión en el rociador
                                                   más lejano

                                                      Las normas nos dan los criterios a utilizarse
                                                   en el momento de realizar el esquema de los
Figura 4. Pérdidas de Fricción, Hazen-Wlliams      rociadores dentro de los que tenemos:
Fuente: Manual de protección contra incendios         El caudal de alimentación mínimo es de
                  FIG. 5.20                           18gpm (68 litros/min).
                                                      Área máxima protegida por un rociador, 144
                                                      ft2 (13.4m2)
                                                      Distancia máxima entre rociadores, 12 pies
                                                      (3.7 m)
                                                      Distancia mínima entre rociadores, 8 pies
                                                      (2.4 m)
                                                      Distancia máxima de rociadores a paredes o
                                                      particiones, 6 pies (1.8 m)

                                                   Para densidades menores de 0.30 gpm/pies2:
                                                      Rociadores de ½” (k=5.56 usualmente).
                                                      Espaciar al máximo permitido.
                                                      Los ramales pueden contener hasta 6 o 7
                                                      rociadores.
                                                      Dimensionamiento de línea probable 1”, 1
                                                      ¼”, 1 ½”, 2” (2” tamaño máximo de línea)

          Figura 5. Modelo de cálculo                  Para la configuración a continuación
                                                   mostrada vemos que el rociador R4 es el más
    Para los sistemas de rociadores diseñados en   lejano, el cual tendrá menor caudal.
forma da malla, se debe verificar que el área
hidráulicamente más desfavorable se está
utilizando.

   La presión debida a la velocidad del agua Pv
en psi:

                Q2
   Pv = 0.001123 4
                d                         (2)
   Pv = Pérdidas por velocidad en psi/ft
   Q = Flujo, en gpm
   d = Diámetro interno real de la tubería, en
   pulgadas

   Vemos que para calcular las pérdidas por
velocidad no es necesario calcular la misma
debido a que podemos utilizar la ecuación 2.
                                                            Figura 6. Red De Rociadores
   Para calcular la presión por elevación Pe en
psi conocido como el cambio de elevación h en
pies:
                                                      En los sistemas de protección contra
                                                   incendio, el factor K es una herramienta muy
valiosa, ya que permite relacionar los caudales     fácil montaje con el sistema de soporte
con las presiones residuales.                       completo, debido a que presenta las siguientes
                                                    características:
                                 2
               ⎛Q⎞
             P=⎜ ⎟
               ⎝k⎠                       (4)



3.3 Selección de materiales
   Selección de la tubería

   Vemos que la norma NFPA nos da los
valores de las tuberías de los gabinetes y nos
proporciona además los diámetros de las
tuberías tanto para las conexiones y el anillo
principal tal como se vio en la tabla 5.                Figura 7. Características del Sistema de
                                                                       montaje
                                                                Fuente: Victaulic G-103
   Ahora presentamos una tabla la cual nos va a
dar una idea al momento de seleccionar el
material de la tubería.

 Tabla 6. Comparación de materiales de para
                 Tubería
MATERIAL    VENTAJAS          DESVENTAJAS
                         Instalación de gasto
            Costo
                         considerable
            moderado
Hierro                   Se oxida
            Disponible
Negro                    Aspereza interior
            en varios
                         ocasiona caída de
            tamaños
                         presión
            Materiales Instalación de gasto
            de costo     considerable
            moderado Se oxida en las uniones
            Disponible Aspereza interior
Hierro
            en varios    ocasiona
Galvaniza
            tamaños      sedimentación y caída
do
            En           de presión
            ocasiones    Sólo la superficie          Figura 8. Tecnología de extremos ranurados
            anticorrosiv externa suele estar                   Fuente: Victaulic G-103
            o            protegida
            No se
            oxidan
            Uniformida                                 Selección de las Bombas
                         Susceptible a ciclos
            d de la
                         térmicos
Cobre       superficie                                  Vemos que la presión promedio del sistema
                         Su instalación exige uso
            interior                                total tiene que vencer las pérdidas totales del
                         de soplete
            Reduce la
            caída de
                                                    sistema, con lo cual se debe escoger una bomba
            la presión                              Jockey con una presión mayor a la que trabaja la
            No se                                   bomba contra incendio, con lo cual vencemos
            oxidan                                  cualquier pérdida del sistema. Sabiendo que
            Uniformida                              tenemos que tener en cuenta que la bomba viene
            d de la      Instalación de gasto       normada vamos a la tabla de selección de
Acero       superficie   considerable
            interior     Material costoso
                                                    bombas y escogemos la opción más adecuada de
            Reduce la                               la figura 9.
            caída de
            la presión

   Al haber obtenido los diámetros de tuberías
y ubicación de los componentes seleccionamos
un sistema de tuberías de acero Schedule 40 de
que de esta manera se aprecie que está abierto el
                                                    suministro, llevar el control del caudal con un
                                                    sensor de flujo, utilizar medidores de presión a
                                                    la entrada y salida de la bomba como los
                                                    manómetros para los puntos críticos donde la
                                                    presión debe ser controlada, utilizar una placa
                                                    antivórtice la que evita que se forme turbulencia
                                                    a la entrada de la bomba para evitar que se
                                                    generen remolinos que eviten la formación de
                                                    burbujas que produzcan a su vez cavitación en
                                                    el sistema.
 Figura 9. Cuadro de cobertura de bombas de
                    fuego
                                                       Otro elemento son los gabinetes los cuales
  Fuente: Armstrong F43.11_HSC_brochure             servirán como ayuda por parte gente que se
                                                    encuentre dentro de las instalaciones hasta que
                                                    llegue el cuerpo de bomberos.

                                                       Es por esto que los accesorios cumplen una
                                                    función muy importante dentro del mismo.


                                                    4. Conclusiones y Recomendaciones
                                                       Conclusiones
       Figura 10. Esquema de la Bomba
                                                       Los ingenieros mecánicos se encuentran
   La Norma 20 establece que las bombas             aptos para realizar el diseño de estos sistemas
contra incendio tienen que trabajar con succión     requeridos en las empresas industriales y que no
positiva, lo que quiere decir que el nivel mínimo   quede solo en manos de los ingenieros civiles,
del agua en el tanque de almacenamiento debe        como sucede en la actualidad.
estar por encima de la succión de la bomba.
                                                        Se pudo apreciar que para el diseño de un
                                                    sistema contra incendio se necesitan las normas
   Selección de Rociadores
                                                    NFPA, las cuales son las que rigen el diseño ya
   Los rociadores automáticos Upright, de           que no bastan los cálculos de la hidráulica
repuesta rápidos son los más utilizados para        clásica.
almacenamiento.
                                                       Cuando se diseña no se puede tener el
                                                    resultado final al primer intento de diseñar sino
                                                    que hay realizar varios intentos a más de utilizar
                                                    las normas para obtener el mejor resultado con
                                                    un arreglo definitivo.

                                                        Vemos que no es nada barato tener un
                                                    sistema contra incendio pero es una gran ayuda
                                                    en el caso de ocurra un siniestro. Pero al poseer
                                                    uno de estos sistemas ayuda a que las
                                                    aseguradoras den mayores facilidades al
                                                    momento de realizar un contrato con una
                                                    empresa.

                                                       Recomendaciones
   Figura 11. Rociador de Respuesta Rápida
                    Upright                            Además del sistema diseñado se recomienda
   Fuente: Tyco TFP356_01_2005_brochure
                                                    poner un sistema de refrigeración para los
                                                    tanques de gas y un sistema de espuma para los
   Selección de accesorios
                                                    tanques de combustible y sería muy conveniente
                                                    tener un sistema de detección contra incendios.
    Los accesorios son indispensables dentro del
sistema, debido a la necesidad de usar una
válvula principal con tornillo sobresalido para
Es necesario estar capacitando a los
trabajadores continuamente e implementando
todas las medidas de prevención y control que
se exigen para que los incendios no ocasionen
grandes pérdidas ya sean a las personas,
materiales y equipos.


10. Referencias
[1] - - - -, “Diseño y Cálculo de Sistema de
    Protección Contra Incendio”, Seminario
    Taller,   GL & Asociados,           CD&A
    Consultores de Riesgo, Santafé de Bogotá,
    Octubre, 1998.
[2] Manual de Protección Contra Incendios,
    Arthur E. Cote y Jim L. Linville, Editorial
    Mapfre, España, 2001, 1ª reimpresión, 2,
    219 p.
[3] Armstrong,            Fire          Pumps,
    http://www.armstrongpumps.com/product_c
    atalogue.asp
[4] Armstrong, Fire Protection Professionals,
    http://www.armstrongpumps.com/fire_prote
    ction.asp
[5] NFPA, National Fire Protection Association,
    http://www.nfpa.org/aboutthecodes/list_of_c
    odes_and_standards.asp
[6] Tyco, Fire Supression & Biulding Products,
    http://www.tyco-
    fire.com/index.php?P=show&id=TFP315_0
    1_2005&B=&BK=product&SB=S3
[7] Vitaulic,    Pipe     System      Solutions,
    http://www.victaulic.com/content/Products.h
    tm




  Ing. Ernesto Martínez Lozano
  Visto Bueno del Director de Tesis
  Fecha: 12/11/2007




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  • 1. Diseño de un Sistema Contra Incendio para una Empresa Productora de Cereales Ernesto Martínez Lozano, Ing. Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción Escuela Superior Politécnica del Litoral Campus Gustavo Galindo V. Km. 30.5 Vía Perimetral, P. O. Box 09 01 5863, Guayaquil, Ecuador emartine@espol.edu.ec Newton Barreto León Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción Escuela Superior Politécnica del Litoral Campus Gustavo Galindo V. Km. 30.5 Vía Perimetral, P. O. Box 09 01 5863, Guayaquil, Ecuador nbarreto@espol.edu.ec Resumen Este trabajo pretende servir de referencia a aquellas personas que deseen tener una visión del proceso de diseño de un Sistema Contra Incendio. Por la naturaleza de este trabajo, se hará hincapié en consultar detenidamente más material de apoyo. El artículo está dividido en un cierto número de pasos que pueden ser comprimidos en función de la experiencia del diseñador o las necesidades del cliente, basados en las normas NFPA. Se comenzará con el análisis de la situación actual para determinar las condiciones de la instalación. Luego se procederá al diseño del sistema, el cual se basa en las normas NFPA las cuales recogen las recomendaciones mínimas de seguridad y protección que deben tomarse en cuenta para proteger un área, usando una combinación de sistemas y equipos: mangueras, extintores y rociadores. Esta parte contendrá los cálculos correspondientes al diseño. Posteriormente se realizará la selección de los materiales para poder hacer los planos correspondientes a la instalación. Palabras Claves: sistema contra incendio. Abstract This work intends to serve of reference to those people that desire to have a vision of the process of design of a Fire Protection System. By the nature of this work, emphasis will be done in consulting thoroughly more material of support. The article is divided into a certain number of steps that can be compressed in function of the experience of the designer or the needs of the client, based on the norms NFPA. It will begin with the analysis of the current situation to determine the conditions of the installation. Then it will proceed to the design of the system, which is based on the NFPA norms which collects the minimum recommendations of security and protection that should take into account to protect an area, using a combination of systems and materials: hoses, fire extinguishers and sprinklers. This part will contain the calculations pertaining to the design. Subsequently the selection of the materials will be carried out to be able to do the drawings pertaining to the installation.
  • 2. 1. Introducción áreas, la pasiva que evita el inicio del fuego o su propagación, llegado el caso y la activa que ya Los incendios son una de las mayores es el uso directo de extintores, bocas de catástrofes naturales y en muchos casos son incendio y rociadores. provocados por el hombre. Durante los últimos años han aumentado su frecuencia, causando Una prevención activa de incendios depende daños irreparables tanto en vidas humanas como en gran medida del diseño y operación de la en pérdidas materiales y medioambientales. planta de tal manera que se minimicen los riesgos de un accidente. Dentro de este campo cabe destacar los Incendios en plantas industriales, plataformas El tipo más común de sistemas de protección petroleras, explosiones químicas, etc., que han contra incendios es el que se basa en el uso de producido accidentes industriales mayores, con agua. Por lo tanto, resulta esencial que se falta de seguridad humana y de planes de disponga de un suministro de agua adecuado y emergencias adecuados lo que ha provocado bien mantenido. El sistema de suministro de situaciones de pérdidas irreparables, desde la agua de la planta, será la primera fuente que imagen de la empresa hasta desastres utilice la brigada contra incendios de la planta o cuantiosos. el departamento de bomberos. El agua debe proporcionarse con el flujo y la presión Es por esto que la empresa Productora de necesarios para que se activen los sistemas de Cereales que es una compañía confiable que aspersores automáticos y para poder utilizar las ofrece alimentos de alta calidad, en la mangueras contra incendios, además de los producción de cereales, tiene la necesidad de requisitos normales de la planta. contar con un sistema contra incendio debido a normas internacionales de seguridad. En las redes de tuberías se recomienda que la tubería forme un circuito cerrado en forma de Además la protección contra incendio es un red y minimizar las pérdidas por fricción que área en la que la mayoría de los ingenieros sea posible. mecánicos pueden aportar con una contribución significativa. En muchas instalaciones, el Las bombas contra incendios son en esencia, ingeniero en jefe puede hacer las funciones de iguales a las bombas normales. Las comisario o jefe de incendios, e incluso en las consideraciones adicionales correspondientes a plantas grandes, existe un ingeniero dedicado a las bombas contra incendio se presentan en las tiempo completo a las seguridad o a la norma NFPA 20. Los factores que deben protección contra incendios, el cual debe tomarse en cuenta con relación a este tipo de conocer el problema de los incendios, los bombas son: métodos de prevención y los sistemas de protección. -Uso del equipo señalado para bombas contra incendio -Uso de accesorios aprobados 2. Generalidades -Capacidad adecuada para satisfacer la demanda de propagación del incendio -Operación automática 2.1 Sistemas contra incendio -Ubicación segura para que el servicio sea ininterrumpido Diseñar un Sistema Contra Incendio para la empresa Productora de Cereales. Para efectos de protección contra incendios, el sistema de rociadores es un sistema integrado Un sistema de protección contra incendio es de tuberías diseñado de acuerdo con las normas un sistema que incluye dispositivos, soportería, de ingeniería para protección contra incendios. equipos y controles para detectar fuego o humo, La porción del sistema de rociadores sobre el para hacer actuar una señal y para suprimir el nivel del suelo consiste en una red tuberías de fuego o humo. Los dos objetivos principales de tamaño especial, diseñada tomando en cuenta la protección del fuego son salvar vidas y los factores hidráulicos, que se instala en el proteger las propiedades. Un objetivo edificio, estructura o área, por lo general a nivel secundario es minimizar las interrupciones de del cielorraso, a la que se conectan los servicio debido al fuego. aspersores de acuerdo con un patrón sistemático. El sistema suele activarse con el Actualmente existen varias normativas que calor proveniente de un incendio y descarga fijan los requisitos mínimos para la protección agua sobre el mismo. de incendios, que se divide en dos grandes
  • 3. Los sistemas de tuberías húmedas cuentan 3. Diseño del sistema contra incendio con agua a presión en todo momento. El agua se descarga de inmediato cuando los rociadores El desarrollo del diseño implica un análisis automáticos entran en operación. Este sistema detallado de la operación propia de la empresa, suele utilizarse siempre que no exista peligro de por lo que se evaluará los riesgos de incendio en que el agua de las tuberías se congele. cada una de las áreas de esta empresa, que conlleve a determinar los principales Los rociadores están diseñados con requerimientos. especificaciones nominales de temperatura que varían desde los 57ºC (1357ºF) hasta los 343ºC (650ºF). En los edificios que se conservan a 3.1 Determinación de los temperaturas normales y constantes lo más requerimientos del sistema común es que se utilicen especificaciones de 74ºC(165ºF). La ubicación y separación de los El área a ser protegida y todos los aspersores depende del grado de riesgo y del requerimientos de agua de protección contra tipo de construcción. incendio deben ser determinados antes de comenzar los cálculos. 2.2 Normas NFPA Los requerimientos de agua de protección contra incendio son: el agua necesaria para La NFPA (National Fire Protection lograr la densidad del sistema de rociadores, Association) es reconocida alrededor del mundo mangueras y/o hidrantes, y otros requerimientos como la fuente autorizada principal de que disponga una norma. conocimientos técnicos, datos y consejos para el consumidor sobre la problemática del fuego y la ROCIADORES protección y prevención. Clasificación de Actividades y Productos El diseño de sistemas se basa en las normas según NFPA NFPA, que recoge las recomendaciones mínimas de seguridad y protección que deben Las normativas sobre protección de tomarse en cuenta para proteger un área, usando incendios clasifican el riesgo que presenta cada una combinación de sistemas y equipos: tipo de edificio según sus características, para mangueras, extintores y rociadores. adecuar los medios de prevención. Tabla 1. Actividades De Riesgo Ordinario Durante el desarrollo de la presente tesis se Fuente: Manual de protección contra incendios irán mencionando los diferentes capítulos referentes a las normas NFPA aplicados, de las Grupo 1 cuáles mencionamos las más representativas Estacionamiento Fábricas de vidrio tales como: Plantas electrónicas Restaurantes (Áreas Servicio) Fabricas de alimentos Lavanderías NFPA 13, Installation of Sprinkler Systems, Grupo 2 proporciona los detalles de los requisitos de Molinos de cereales Edificios comerciales diseño e instalación correspondientes a los Manufacturas textiles Industrias farmacéuticas rociadores automáticos. Fábricas de cigarrillos Fábricas de papel: obtención, proceso NFPA 14, Installation of Standpipe and Hose Fábricas de productos de cuero Depósitos de papel: muebles, Systems, describe el diseño y la instalación para Almacenes refrigerados pinturas, licores, el sistema de tuberías. Fábricas de confecciones mercancías generales NFPA 20, Installation of Centrifugal FIRE Carpinterías Garajes de mantenimiento Pumps, presenta las consideraciones adicionales correspondientes a las bombas contra incendio. Artes gráficas Fábricas de neumáticos NFPA 22, Standard for Water Tanks for Private Fire Protection, determina los depósitos Parámetros de Evaluación de agua para la protección privada contra incendio. Densidad y Área de diseño NFPA 24, Installation of Private Fire Service Mains and their Appurtances, indica los La densidad es un parámetro representa el requisitos de los sistemas de suministro de agua. caudal descargado por un sistema de extinción por unidad de área. Usualmente, su valor fluctúa entre 0.1 gpm/ft2 (4.1 l/min/m2) y 0.60 gpm/ft2 (24.6 l/min/m2) [1].
  • 4. actuando otro gabinete en el extremo opuesto a éste, ya que el caudal mínimo para cada gabinete es de 250 gpm a 100 psi. SUMINISTRO DE AGUA Habiendo determinado por la densidad y el área de diseño el caudal requerido para el sistema de rociadores, se añade una tolerancia Figura 1. Demanda para rociadores Fuente: Norma NFPA 13 Fig. 11.2.3.1.5 de 10% a la cantidad de galones para uso de los rociadores solamente. Esta tolerancia es para considerar el aumento natural de la cantidad de Según el tipo de riesgo escogemos el valor galones por encima del requerimiento básico en de la tabla y el valor que se obtenga se el curso del cálculo del sistema. multiplicará por el área y se obtendrá el valor del caudal. Tabla 2. Bombas Normalizadas Fuente: Manual de Protección Contra Incendios MANGUERAS Tabla 5-7a Dentro de los diferentes tipos de gabinetes Caudal Nominal tenemos: gpm L/min Los sistemas de clase I, que tienen 500 1893 conexiones para mangueras de 2½“ (64 mm) en 750 2839 determinados lugares de un edificio con el fin 1000 3785 de facilitar una total intervención contra 1250 4732 incendios. Estos sistemas están proyectados 1500 5678 para ser utilizados por los bomberos. Los sistemas de clase II, tienen conexiones 1750 6624 de 1½“ (38 mm) en determinados lugares del 2000 7571 edificio, para proporcionar una primera ayuda en caso de incendio. Tabla 3. Resistencia al Fuego Los sistemas de clase III, reúnen las Fuente: Norma NFPA 13 características de los de clase I y II. Están Clases Clase proyectados tanto como primera ayuda en caso de incendio como para luchar contre el fuego. Almacenamiento I, II y III IV De 3.7 a 6.1 m 1 1/2 horas 2 horas De 6.1 a 9.1 m 2 horas 2 1/2 horas Para determinar el volumen del tanque de almacenamiento cogemos el valor de la tabla 3 según el caso y lo multiplicamos por el caudal obtenido. 3.2 Cálculos hidráulicos Para esto se debe realizar un bosquejo de cómo va a ser nuestro diseño dentro de la planta aunque todavía no se den dimensiones exactas así como se ve en la figura 3. Y además se colocará el alcance de los gabinetes para tener una distribución completa por toda la planta. Figura 2. Detalle De Gabinete Tipo III Los sistemas de clase III se limitan generalmente a 100 pies de longitud (30.2 m). La demanda para un sistema combinado de clase III es de 500 gpm mínimo para interiores y exteriores, (Norma NFPA 14); debido a que el cálculo se realiza con el gabinete más lejano y
  • 5. Tabla 4. Longitudes Equivalentes Fuente: Norma NFPA 14, Tabla 7.11.1.1 Luego de haber obtenido un esquema de nuestro diseño y el requerimiento de agua para nuestro sistema vamos a la tabla 5 y seleccionamos el diámetro de la tubería. Tabla 5. Flujo requerido para velocidad no menor a 3m/s en la tubería Fuente: NFPA Norma 24 Tabla 10.10.2.1.3 TUBERÍA FLUJO FLUJO Figura 3. Esquema de Diseño Pulgadas GPM l/min 4 390 1476 Del plano de las tuberías determinamos la longitud de la tubería más remota. Para luego 6 880 331 determinar las longitudes equivalentes de los 8 1560 5905 accesorios y sumamos estos resultados para obtener longitud de tubería total y poder 10 2440 9285 determinar las pérdidas por fricción en la 12 3520 13323 tubería. Los cálculos finales comienzan en el Para determinar las pérdidas por fricción se rociador más remoto para determinar el caudal y usará la fórmula de Hazen-Williams: los tamaños de tuberías reales del sistema. Estos cálculos deberían satisfacerse por la 4.52Q1.85 presión del suministro de agua. ΔP = 1.85 4.87 Pérdidas en la tubería C d (1) Donde: Los cálculos se los van a realizar en base a AP = Pérdidas por fricción en psi/ft las normas NFPA, los cuales indican los valores Q = Flujo, en gpm a los cuales se deben regular las condiciones de d = Diámetro interno real de la tubería, en trabajo. pulgadas C = Coeficiente de fricción Longitud equivalente Para pérdidas por fricción en tuberías de Para la mayoría de cálculos de protección del acero Schedule 40, el coeficiente de Hazen- fuego, las pérdidas de fricción son obtenidas William es 120. usando el método de longitud equivalente O también se lo puede realizar por medio de usando la tabla 4, la cual expresa las pérdidas de una gráfica, la cual nos da el valor de las fricción de las uniones. Esta longitud es pérdidas, ver la figura 4. adicionada a la longitud de la tubería que están conectadas para obtener el total de de perdidas de fricción.
  • 6. Pe = 0.433h (3) Pe = Pérdidas por elevación en psi/ft h = Altura en pies Requerimiento de presión en el rociador más lejano Las normas nos dan los criterios a utilizarse en el momento de realizar el esquema de los Figura 4. Pérdidas de Fricción, Hazen-Wlliams rociadores dentro de los que tenemos: Fuente: Manual de protección contra incendios El caudal de alimentación mínimo es de FIG. 5.20 18gpm (68 litros/min). Área máxima protegida por un rociador, 144 ft2 (13.4m2) Distancia máxima entre rociadores, 12 pies (3.7 m) Distancia mínima entre rociadores, 8 pies (2.4 m) Distancia máxima de rociadores a paredes o particiones, 6 pies (1.8 m) Para densidades menores de 0.30 gpm/pies2: Rociadores de ½” (k=5.56 usualmente). Espaciar al máximo permitido. Los ramales pueden contener hasta 6 o 7 rociadores. Dimensionamiento de línea probable 1”, 1 ¼”, 1 ½”, 2” (2” tamaño máximo de línea) Figura 5. Modelo de cálculo Para la configuración a continuación mostrada vemos que el rociador R4 es el más Para los sistemas de rociadores diseñados en lejano, el cual tendrá menor caudal. forma da malla, se debe verificar que el área hidráulicamente más desfavorable se está utilizando. La presión debida a la velocidad del agua Pv en psi: Q2 Pv = 0.001123 4 d (2) Pv = Pérdidas por velocidad en psi/ft Q = Flujo, en gpm d = Diámetro interno real de la tubería, en pulgadas Vemos que para calcular las pérdidas por velocidad no es necesario calcular la misma debido a que podemos utilizar la ecuación 2. Figura 6. Red De Rociadores Para calcular la presión por elevación Pe en psi conocido como el cambio de elevación h en pies: En los sistemas de protección contra incendio, el factor K es una herramienta muy
  • 7. valiosa, ya que permite relacionar los caudales fácil montaje con el sistema de soporte con las presiones residuales. completo, debido a que presenta las siguientes características: 2 ⎛Q⎞ P=⎜ ⎟ ⎝k⎠ (4) 3.3 Selección de materiales Selección de la tubería Vemos que la norma NFPA nos da los valores de las tuberías de los gabinetes y nos proporciona además los diámetros de las tuberías tanto para las conexiones y el anillo principal tal como se vio en la tabla 5. Figura 7. Características del Sistema de montaje Fuente: Victaulic G-103 Ahora presentamos una tabla la cual nos va a dar una idea al momento de seleccionar el material de la tubería. Tabla 6. Comparación de materiales de para Tubería MATERIAL VENTAJAS DESVENTAJAS Instalación de gasto Costo considerable moderado Hierro Se oxida Disponible Negro Aspereza interior en varios ocasiona caída de tamaños presión Materiales Instalación de gasto de costo considerable moderado Se oxida en las uniones Disponible Aspereza interior Hierro en varios ocasiona Galvaniza tamaños sedimentación y caída do En de presión ocasiones Sólo la superficie Figura 8. Tecnología de extremos ranurados anticorrosiv externa suele estar Fuente: Victaulic G-103 o protegida No se oxidan Uniformida Selección de las Bombas Susceptible a ciclos d de la térmicos Cobre superficie Vemos que la presión promedio del sistema Su instalación exige uso interior total tiene que vencer las pérdidas totales del de soplete Reduce la caída de sistema, con lo cual se debe escoger una bomba la presión Jockey con una presión mayor a la que trabaja la No se bomba contra incendio, con lo cual vencemos oxidan cualquier pérdida del sistema. Sabiendo que Uniformida tenemos que tener en cuenta que la bomba viene d de la Instalación de gasto normada vamos a la tabla de selección de Acero superficie considerable interior Material costoso bombas y escogemos la opción más adecuada de Reduce la la figura 9. caída de la presión Al haber obtenido los diámetros de tuberías y ubicación de los componentes seleccionamos un sistema de tuberías de acero Schedule 40 de
  • 8. que de esta manera se aprecie que está abierto el suministro, llevar el control del caudal con un sensor de flujo, utilizar medidores de presión a la entrada y salida de la bomba como los manómetros para los puntos críticos donde la presión debe ser controlada, utilizar una placa antivórtice la que evita que se forme turbulencia a la entrada de la bomba para evitar que se generen remolinos que eviten la formación de burbujas que produzcan a su vez cavitación en el sistema. Figura 9. Cuadro de cobertura de bombas de fuego Otro elemento son los gabinetes los cuales Fuente: Armstrong F43.11_HSC_brochure servirán como ayuda por parte gente que se encuentre dentro de las instalaciones hasta que llegue el cuerpo de bomberos. Es por esto que los accesorios cumplen una función muy importante dentro del mismo. 4. Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Figura 10. Esquema de la Bomba Los ingenieros mecánicos se encuentran La Norma 20 establece que las bombas aptos para realizar el diseño de estos sistemas contra incendio tienen que trabajar con succión requeridos en las empresas industriales y que no positiva, lo que quiere decir que el nivel mínimo quede solo en manos de los ingenieros civiles, del agua en el tanque de almacenamiento debe como sucede en la actualidad. estar por encima de la succión de la bomba. Se pudo apreciar que para el diseño de un sistema contra incendio se necesitan las normas Selección de Rociadores NFPA, las cuales son las que rigen el diseño ya Los rociadores automáticos Upright, de que no bastan los cálculos de la hidráulica repuesta rápidos son los más utilizados para clásica. almacenamiento. Cuando se diseña no se puede tener el resultado final al primer intento de diseñar sino que hay realizar varios intentos a más de utilizar las normas para obtener el mejor resultado con un arreglo definitivo. Vemos que no es nada barato tener un sistema contra incendio pero es una gran ayuda en el caso de ocurra un siniestro. Pero al poseer uno de estos sistemas ayuda a que las aseguradoras den mayores facilidades al momento de realizar un contrato con una empresa. Recomendaciones Figura 11. Rociador de Respuesta Rápida Upright Además del sistema diseñado se recomienda Fuente: Tyco TFP356_01_2005_brochure poner un sistema de refrigeración para los tanques de gas y un sistema de espuma para los Selección de accesorios tanques de combustible y sería muy conveniente tener un sistema de detección contra incendios. Los accesorios son indispensables dentro del sistema, debido a la necesidad de usar una válvula principal con tornillo sobresalido para
  • 9. Es necesario estar capacitando a los trabajadores continuamente e implementando todas las medidas de prevención y control que se exigen para que los incendios no ocasionen grandes pérdidas ya sean a las personas, materiales y equipos. 10. Referencias [1] - - - -, “Diseño y Cálculo de Sistema de Protección Contra Incendio”, Seminario Taller, GL & Asociados, CD&A Consultores de Riesgo, Santafé de Bogotá, Octubre, 1998. [2] Manual de Protección Contra Incendios, Arthur E. Cote y Jim L. Linville, Editorial Mapfre, España, 2001, 1ª reimpresión, 2, 219 p. [3] Armstrong, Fire Pumps, http://www.armstrongpumps.com/product_c atalogue.asp [4] Armstrong, Fire Protection Professionals, http://www.armstrongpumps.com/fire_prote ction.asp [5] NFPA, National Fire Protection Association, http://www.nfpa.org/aboutthecodes/list_of_c odes_and_standards.asp [6] Tyco, Fire Supression & Biulding Products, http://www.tyco- fire.com/index.php?P=show&id=TFP315_0 1_2005&B=&BK=product&SB=S3 [7] Vitaulic, Pipe System Solutions, http://www.victaulic.com/content/Products.h tm Ing. Ernesto Martínez Lozano Visto Bueno del Director de Tesis Fecha: 12/11/2007 Newton Barreto León Tesista FIMCP